液滴自輸表面可在不需外部供能（如光、電、磁等）的條件下實現(xiàn)液體在表面的定向輸運，在微流控、生物分析、微反應(yīng)器、表面防污等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有自輸運表面在液體輸運過程中會產(chǎn)生肉眼不可見的微觀液體殘留，即在輸運軌道上會留下大量的微米或納米尺度的微液滴。這些微液滴殘留不僅引起液體輸運過程中的質(zhì)量損失，而且會導(dǎo)致表面污染失效，嚴(yán)重限制了自輸運表面的實際應(yīng)用。因此，關(guān)于微液滴殘留的形成機理及抑制策略亟待研究。
針對上述問題，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院田雪林教授課題組基于微納加工方法制備了具有梯度陣列結(jié)構(gòu)的液體自輸運表面，并系統(tǒng)調(diào)查一系列不同表面張力和粘度的液體在表面的輸運行為。研究發(fā)現(xiàn)，微觀液體殘留的形成并非前人所報道的表面接觸角滯后效應(yīng)所導(dǎo)致；該殘留實際上是一個動態(tài)潤濕現(xiàn)象，當(dāng)液體的運動速率超過某一臨界值時，其局部動態(tài)后退角會消失并在液體后退端產(chǎn)生一層薄夾帶液膜，該液膜由于瑞利破裂進(jìn)而形成微觀殘留導(dǎo)致輸運損失。通過深入分析，田雪林教授課題組進(jìn)一步提出了實現(xiàn)液體無損輸運的準(zhǔn)則，指出毛細(xì)數(shù)Ca(正比于液體的黏度及運動速率反比于液體的表面張力）、液滴在表面的本征后退角qR,0，以及固液界面的滑移長度Yw是決定微液滴殘留形成與否的關(guān)鍵參數(shù)。只有當(dāng)Ca/qR,03 小于特定臨界值時，微觀液體殘留才能被抑制，該特定臨界值取決于界面滑移長度Yw和體系的邊界條件。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的“類液體”高分子刷修飾的自輸運表面可有效抑制微觀液體殘留的形成。“類液體”高分子刷一方面可降低表面的本征后退角，另一方面可通過界面潤滑作用來增加滑移長度，兩者共同作用可以顯著提高表面形成微觀液體殘留的臨界毛細(xì)數(shù)。因此，接枝“類液體”高分子刷為抑制表面微液滴殘留實現(xiàn)無損液體輸運提供了一種有效策略。
表面液體輸運過程中微觀殘留的形成機制及抑制策略
相關(guān)研究成果以題目為“Lossless Fast Drop Self-Transport on Anisotropic Omniphobic Surfaces: Origin and Elimination of Microscopic Liquid Residue”于2019年5月8日在線發(fā)表在材料學(xué)國際著名期刊Advanced Materials (Adv. Mater. 2019, 1901417，影響因子：21.950)。該工作也得到了審稿人的高度評價，其中一審稿人評論該研究“is a very important milestone to the field of liquid transport”。課題組黃世琳副研究員為論文第一作者，田雪林教授為通訊作者。課題組前特聘研究員李娟博士（目前已調(diào)離中山大學(xué)任廣東省科學(xué)院“百人計劃”研究員）為論文共同通訊作者。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、青年千人計劃、“珠江人才”計劃、廣東省自然科學(xué)基金等項目和光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901417
